高校校园内涝模拟与分析

梁怿祯，李树平，谢予婕

（同济大学环境科学与工程学院，上海 200092）

城市内涝是指在强降雨或连续性降雨情况下，由于城市排水能力不足导致的城市低洼地区大面积积水现象。高校校园作为城市的一个功能分区，在排水不畅情况下，不可避免地受到内涝影响。2013年7月19日，厦门遭遇暴雨突袭，部分高校内涝严重，校园环境和物资遭到严重破坏；2015年6月16日～17日，上海遭遇持续强降雨，部分高校出现大面积积水，局部水深达50 cm以上，严重影响师生的正常出行；2016年7月6日，武汉遭遇特大暴雨，造成多所高校因内涝停课……近年来高校校园内涝频发，必须引起重视。高校校园内含有教学区、生活区、体育活动区、生态休闲区等功能区划分，地表不透水性变化显著；景观上包括假山、广场、河流和湖泊，校园内地势高低起伏；高校校园存在不同时期建设的排水管道，埋设年代和健康状况不一；校园内雨水管道具有建筑给水排水特点，局部雨水管道直径较小（小于市政管道最小直径300 mm的要求）。

以下将首先讨论内涝分析的步骤，然后以某高校校园为例，模拟各种降雨重现期下内涝程度，并分析形成内涝的主要原因。

1 分析方法

内涝分析需要根据研究区域内的地形地貌、土壤特征、排水管网、排放水体等资料，构建内涝分析模型；然后分析不同重现期降雨情景下排水管网的排水能力，总结内涝的形成原因及排水管网存在的缺陷，提出相应的改进措施［1-2］。因此内涝分析步骤如图1所示。

图1 内涝分析方法路线图Fig.1 Route Diagram of Analysis Method for Waterlogging

（1）收集研究区域资料，包括地形图、用地规划图、排水管网勘测图、排水管网基础数据、降雨统计数据等。

（2）选取合适的内涝分析模型。模型应能够模拟地表降雨径流过程和排水系统中的水流特征。

（3）建立内涝分析模型：①将研究区域的排水管网图概化；② 根据下垫面特征及管道布置情况，划分子汇水区域；③设置模型排水管网参数及子汇水区参数；④根据当地的暴雨强度公式或实测降雨数据设计降雨情景。

（4）模拟不同降雨重现期下排水管网的运行状态，包括地表径流、排放口状态、节点积水、管道超载等，分析内涝形成原因及排水管网系统缺陷，提出相应的改造措施。

基础资料分析中经常遇到的问题包括淤积管道、孤立节点和管道、数据缺失或错误的节点和管道等，需在建模时进行相应处理。管道淤积会削弱管道的过水能力，建模时应以缩小管径的方式假设管道淤积；未与主管网相连的孤立节点和管道，在模拟过程中会导致过早的节点积水和管道超载，影响模拟结果的准确度，建模时应将其删除并将相应的子汇水面积连接到下游邻近的雨水口；对于井深为负的节点以及管径数据缺失的管道，应根据上下游管道的内底标高及管径进行相关数据的估计。处理过程中，应标记所作的修改，以备进一步核实资料，便于将来订正。

2 案例区域和所选计算软件

分析将以上海市某高校校园内频繁发生内涝的区域作为案例，该区域包括教学楼、宿舍楼、体育馆、田径场、道路和绿地等，占地面积约0.152 km2，地坪标高在3.0～3.4 m，整体趋势较平缓，但局部地势偏高，如两处田径场地面标高在4.2 m以上。建模之前已收集到该高校校园的地形图和地下管道布置图等基础资料。

内涝分析将采用SWMM模型。该模型由美国环保局开发，是一个动态的降水-径流模拟模型，用于城市区域单场降雨或连续降雨的径流水量和水质模拟。其径流模块部分能模拟各汇水子区域上的降雨所形成的径流量和污染负荷，汇流模块部分能模拟径流在管网、渠道、调蓄和处理设施、泵站、控制设施的流量和水质变化。通过对建模区输入的数据进行编辑，模拟水文、水力和水质情况，以时序图表、剖面图、动画演示和统计分析等多种形式对结果显示，从而重现和预测管网系统运行状态，可广泛应用于城市暴雨径流、合流制管道、污水管道以及其他排水系统的规划、分析和设计［3］。

3 研究区域概化和模型设定

3.1 研究区域概化

根据建模要求，对基础资料处理，对研究区域概化并形成模型文件。经概化后，雨水径流通过雨水管网汇集最终流向排水口p1，然后排至校园外市政管网。雨水管网经概化处理：节点881个，管道管段892条，子汇水区844个，排放口1个，如图2、图3所示。

3.2 降雨情景设计

图2 子汇水区划分示意图Fig.2 Schematic Diagram of Sub-Division of Catchment Area

图3 雨水管网概化示意图Fig.3 Conceptual Schematic Diagram of Storm Networks

选用芝加哥降雨过程线模型合成重现期分别为1年、5年、100年，雨峰系数 r＝0.4，降雨历时 t＝2 h的合成降雨，作为模拟降雨过程输入。选取的暴雨强度公式如式（1）。

其中：q—暴雨强度，L ／（s·hm2）；

P—重现期，年；

t—降雨历时，min。

3.3 模型参数确定

各子流域产汇流计算时所需参数包括［4］：产流计算采用Horton入渗模型，模型的最大入渗率、最小入渗率和衰减系数分别取52.7 mm／h、4.9 mm／h和3.9 h－1；汇流计算采用非线性水库模型；透水地表和不透水地表的洼蓄量分别取为10.65 mm和0.66 mm；透水地表、不透水地表和管道的曼宁系数分别取0.13、0.04和 0.01；地表坡度取 0.005；屋面、道路、网球场、排球场的不渗透百分比取98%；田径场和绿地取40%。模拟过程采用动力波进行流量演算，模拟历时为24 h。

模型水文参数的初始值大多是根据文献资料中的经验值选定，在建模时需要进行多次反复的调整和校核，使模型与实际情况尽量相符。可将径流系数作为目标函数，通过对比雨水管网设计所采用的综合径流系数和模型模拟得到的径流系数，对模型参数进行校核［5］。城市综合径流系数经验值如表1所示［6］。研究区域不透水面积率约为74.9%，由表1可知，该区域的综合径流系数为0.6～0.8。校准降雨采用重现期为2年的合成降雨，得到上述最终模型参数调试结果时，模拟径流系数为0.78，满足要求；验证降雨采用重现期为1年和3年的合成降雨，模拟径流系数分别为0.76和0.80，均满足要求，表明校准后的参数在常用降雨重现期范围内具有一定的适应能力。经参数校核后，模拟所得的降雨、下渗、径流情况与实际情况基本吻合，故该模型可用于进行内涝分析。

表1 城市综合径流系数经验值Tab.1 Empirical Value of Urban Integrated Runoff Coefficient

4 内涝情景模拟与成因分析

模型采用重现期为1年、5年、100年，降雨历时为2 h的设计降雨，对研究区域的内涝情景进行模拟分析。

4.1 地表径流

地表径流模拟结果反映了研究区域不透水面积大小对地表径流的影响。研究区域的降雨、径流和下渗情况如表2所示。

表2 降雨、径流和下渗情况模拟结果Tab.2 Simulation Results of Rainfall，Runoff and Infiltration

由表2可知，随着降雨重现期的增加，降雨量、入渗量、径流量和径流系数都有所增加，但入渗量增幅极小。其原因是研究区域的透水区面积较小，在重现期为1年的暴雨情景下，透水区的入渗量以及地表洼蓄量就基本达到饱和状态，当降雨重现期增加时，降雨量增大，而入渗量几乎不变，致使水流在地表的汇流加剧，径流量明显增大。这说明校园内硬化路面、屋顶等不透水区面积较大是导致校园内涝的重要因素。

4.2 节点积水

节点积水是指降雨发生后，检查井溢流造成周边雨水停留的现象。在排水模型中，内涝的判定标准为节点水深超过该节点最大容水深度，内涝的持续时间是节点的水深度超过该节点最大容水深度的时间［7］。不同重现期降雨情景下的节点积水情况如表3所示。降雨第50 min时校园积水情况最严重，此时积水空间和程度分布如图4、图5所示。

表3 节点积水情况模拟结果Tab.3 Simulation Results of Ponding Nodes

由表3可知，随着设计降雨重现期增大，原有积水节点的积水时间增加，并出现新的积水节点，研究区域总积水量不断增大，随之带来内涝程度的加深；由图4和图5可知，在五年一遇降雨情景下，积水程度较严重的节点主要集中在校园南部运动场和北部教学区，在百年一遇降雨情景下，校园各处均出现较严重的积水节点。

图4 五年一遇降雨的积水空间和程度分布图Fig.4 Spatial Distribution of Junctions with Various Waterlogging under Rainfall with 5-Year Return Period

图5 百年一遇降雨的积水空间和程度分布图Fig.5 Spatial Distribution of Junctions with Various Waterlogging under Rainfall with 100-Year Return Period

选取积水时间较长的若干节点进行原因分析，发现积水节点一般位于起始端管道。起始端管道的管径较小，通常为DN100～DN200，部分还存在逆坡现象，管道过水能力不足。此外，部分下游干管管径偏小，在子汇水区域产生的径流量较大时，不能将雨水及时排出，造成上游管道及相关检查井内水位迅速抬升，导致节点积水。根据节点标高数据，校园南部运动场和北部教学区的地势相比周边区域较低，降雨时排水管网收集了周围区域汇集的地表径流，排水负担增加，导致节点积水情况加重。

4.3 管道超载

管道超载是指管道需要输送的水量超过了其最大输送能力，致使管道处于满管流、有压流状态下运行［8］。不同重现期降雨情景下不同超载时间的管道数量对比如图6所示。

图6 不同超载时间的管道数量对比Fig.6 Comparison of the Numbers of Pipes with Various Overload Time

由图6可知，随着设计降雨重现期增大，超载管道数量不断增加。其中，超载时间＞20 h的管道数量基本恒定，占管道总数的4.8%；超载时间介于1～5 h的管道数量随降雨重现期增大而快速增加；超载时间＜1 h的管道最多，数量在小范围内波动。因为管道长期处于超载情况下容易发生破损，所以对于超载时间长、重要性高的管道应进行超载原因分析和相应改造。

选取若干超载管道分析发现，管道超载时间＞20 h是由于下游存在逆坡管道或衔接错误，即下游管道管底标高大于上游管道管顶标高，导致雨水不能及时排出；而超载时间＜5 h的管道是由于管径较小，当上游节点承接较大流量的雨水径流时，管道过水能力不足，导致长时间的满管现象。

5 改造措施

通过分析内涝模拟结果可知，不透水面积较大、排水管道管径偏小、管道存在逆坡和衔接错误是造成校园内涝的主要原因，在进行内涝整治时应从这三方面着手。

较大的不透水面积导致了雨水下渗量减少，地表径流量增大，尤其低洼地带汇集了周围地势较高区域的径流，管网排水负担进一步加重。因此在建筑物集中的教学区和生活区，以及局部低洼地带，可以考虑采用植草洼地、渗水渠、透水路面等雨水滞留渗透设施，降低地表径流，或修建地下蓄水池进行雨水收集调蓄［9-10］。拟将校园南部运动场产生的雨水径流收集到蓄水池，校园北部教学区道路进行透水结构改造，改造前后各项模拟结果对比如表4所示。

表4 改造前后各项模拟结果对比Tab.4 Comparison of Simulation Results before and after Reconstruction_________

由表4可知，随着降雨重现期增加，改造效果逐渐降低。这说明减少不透水面积的措施只能在一定程度上缓解小规模降雨造成的校园积水问题。

根据模拟结果分析，逆坡管道会造成上游管道超载时间＞20 h，以及入流节点积水，影响雨水管网排水能力。研究区域有逆坡管道共147条，其中逆坡在－1%以上的共73条，在管网改造中应先调整该部分管道坡度。

如图7所示，在一年一遇的降雨情景下，调整逆坡管道3 204的坡度后，其上游管道5 087、588、79、1 605的超载时间分别由 23.78、23.76、23.76、23.76 h 缩短为 0.4、0.3、0.3、0.29 h；调整管道 5505逆坡后，节点3YS51的积水时间由3.97 h变为0，成为非积水节点。

图7 局部管网示意图Fig.7 Schematic Diagram of Partial Pipe Networks

排除逆坡影响后，节点积水和管道超载的原因主要是管道管径偏小或衔接错误，即下游管道管底高于上游管道管顶，导致雨水无法及时排出。在进行管网改造时，首先要确定超载时间长、重要性高、影响范围大的“瓶颈”管道，再对其采取更换大管径、修正衔接等措施，避免大量开挖校园道路，造成工程量大且耗时，缓解内涝现象的成效低。

如图7所示，在五年一遇的降雨情景下，将节点3YS111下游管道3204的管径由0.2 m增大为0.3 m时，节点积水时间由0.8 h缩短为0.07 h，总积水量由54 m3减少为2 m3；修正管道387、587与下游管道4221的衔接错误后，管道387、587的超载时间由23.78 h缩短为1.61 h。

6 结束语

高校校园内涝的模拟与分析将根据地表径流模拟，分析不透水面积对产生内涝的影响；根据积水节点的积水时间和空间分布，以及超载管道的超载时间，查找过水能力严重不足的管道，分析其排水不畅的原因。该内涝模拟与分析方法也可以扩展到具有类似特征的工业园区、开发区等。

高校校园内涝模拟与分析还需结合降雨测试数据、地表径流和管道内流量数据，通过实测数据与模拟结果的比较，校验构建的模型，增强模拟的准确性。考虑到SWMM模型仅可模拟节点的节水情况，无法模拟地表漫溢情况，因此后续可考虑地表漫溢模型的应用。

［1］郭云飞.基于SWMM的城市暴雨内涝研究——以某校园为例［D］.湖南：湖南工业大学，2014.

［2］冯书仓.基于SWMM模型的沧州市城区内涝研究［J］.水利科技与经济，2016，22（5）：92-98.

［3］Rossman L.Storm water management model user's manual version 5.0.［M］.US Environmental Protection Agency，National Risk Management Research Laboratory，Cincinnati，OH，2008.

［4］朱敏.城市雨水管网模型水文参数率定研究［D］.上海：同济大学，2013.

［5］刘兴坡.基于径流系数的城市降雨径流模型参数校准方法［J］.给水排水，2009（11）：213-217.

［6］北京市市政设计研究院.简明排水设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1990.

［7］杨海波，李云飞，王宗敏.不同暴雨与城市化程度情景下城区内涝 SWMM 模拟分析［J］.水利水电技术，2014，45（11）：15-23.

［8］陈明辉，黄培培，吴非，等.基于SWMM的城市排水管网承载力评价与优化研究［J］.测绘通报，2014（3）：54-57.

［9］田宇.校园雨水径流控制研究［D］.天津：天津大学，2011.

［10］李树平，刘遂庆.城市排水管渠系统［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2016.